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“知识最重要的产品是无知。”我们知道的越多,发现我们不知道的也越多。知识还有一个副产品———权威与偏见。
郭汉英生前任中国科学院物理研究所研究员,博士生导师,他在经济物理、场论和数学物理等研究领域成果显著,两次获得国家自然科学二等奖。希望中国在跨世纪中出现自己的基础研究大家和独创理论。
郭汉英认为,基础研究要带怀疑和批判的头脑。郭汉英引用爱因斯坦的一段原话:“大家都认为,当我回顾自己一生的工作时,会感到坦然和满意。但事实恰恰相反。在我提出的概念中,没有一个我确信能坚如磐石,我也没有把握自己总体上是否处于正确的轨道。”郭汉英总结国际物理学同行的观点,并提出:“相对论体系存在有待验证的假定,基本原理不够完善,相互之间存在不协调;理论和时空观念都有需要改进之处”。
郭汉英撰写的“物理学不是一个完成的逻辑体系--从温伯格的一段话谈起”(《科学》杂志2004年第3期,主要内容如下:
温伯格(S. Weinberg)在他的《引力论和宇宙论——广义相对论的原理和应用》一书的开篇,写下这样一段话:“物理学并不是一个已完成的逻辑体系。相反,它每时每刻都存在着一些观念上的巨大混乱,有些像民间史诗那样,从往昔英雄时代流传下来;而另一些则是像空想小说那样,从我们对于将来会有伟大的综合理论的向往中产生出来。”为什么温伯格会这样写呢?
物理学是基于实验和观测的科学,而任何实验和观测的构思和分析,又离不开从大量实验和观测抽象出来、和从以往的发展继承下来的基本观念和原理。基本观念和原理一旦形成和建立,就可以而且应该由此出发建立理论体系,亦即逻辑体系。因此,基本概念、原理和理论体系在物理学的发展中起着重要作用。
难道物理学从来不是,也从来没有一个完成了的逻辑体系吗?是的。不仅如此,将来也不会有。
19世纪末的三大理论体系都没有完成
17世纪牛顿建立的力学和万有引力理论是自哥白尼(N. Copernicus)、伽利略(G. Galileo)以来第一个伟大的力学和物理理论体系。在19世纪,经过拉格朗日(J. L. Lagrange)、哈密顿(W. R. Hamilton)和雅可比(C. Jacobi)等的发展而建立的分析力学,以及费马(P. de Fermat)提出的最小作用原理等,赋予了位势系统的牛顿力学以新的形式和内涵。但是,作为一个理论体系,牛顿理论并没有完成。
质量和惯性等在牛顿体系中起着核心作用,其起源却无法解决。为此,牛顿引入绝对空间和绝对时间作为支撑体系的支柱。但是,却与满足伽利略相对性原理的,没有绝对速度的牛顿力学和引力规律相矛盾。无限大的欧氏绝对空间和万有引力无法解释日落天黑这样的简单事实,也无法建立一个在引力作用下稳定的宇宙图像,这些可称为牛顿体系的夜黑-引力佯谬。
在法拉第(M. Faraday)原创工作基础上,麦克斯韦(J. C. Maxwell)建立了电磁理论,统一了电和磁的现象,预言了电磁波,描述了带电体、光和电磁波的运动,是19世纪物理理论的伟大成就。在麦克斯韦理论中出现了光速c。按照牛顿的时间和空间观念,光速c是相对于绝对空间的绝对速度。当时认为,电磁波是充满绝对空间的“以太”的波动,而地球相对于绝对空间是运动的,因此,应该能够测量出地球的“以太漂移”。然而,所有有关“以太漂移”的可靠的实验结果都是否定的。不仅如此,按照麦克斯韦理论,加速电荷应该发出辐射,然而,计算结果却出现无法处理的无限大,这与后来量子电动力学的发散具有本质联系。这些表明,麦克斯韦电磁理论作为一个理论体系对于在宏观尺度上的电磁现象并不是已经完成的;至于后来发现的微观尺度上的电磁现象,经典的麦克斯韦理论根本无法解释。
19世纪热力学和统计物理学的建立和发展是另一伟大成就。统计物理在描述和确定热平衡态物理性质方面取得了与实验相符的一系列成功。但由于统计物理依赖于个体规律,而统计规律与个体规律间的本质区别和联系、统计物理的基本原理一直不完全清楚,因此作为一个理论体系也没有完成。对统计物理有伟大贡献的玻尔兹曼(L. Boltzmann)为此甚为忧虑,后来他神秘地自杀身亡。
19世纪末曾有“两朵乌云”之说。其实,“乌云”并不仅仅指迈克耳孙-莫雷(Michelson-Morley)实验和黑体辐射,夜黑和引力佯谬早就是“乌云”,放射性的大量实验发现更是“乌云密布”,至于理论体系自身的问题就更多了。(待续)
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